本文將介紹以下內容：

• 對象的創建過程
• 內存分配分析
• 內存布局研究

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接上回[第十八回：對象創建始末（上）]，繼續對對象創建話題的討論>>>

2.2?托管堆的內存分配機制

引用類型的實例分配于托管堆上，而線程棧卻是對象生命周期開始的地方。對32位處理器來說，應用程序完成進程初始化后，CLR將在進程的可用地址空間上分配一塊保留的地址空間，它是進程（每個進程可使用4GB）中可用地址空間上的一塊內存區域，但并不對應于任何物理內存，這塊地址空間即是托管堆。

托管堆又根據存儲信息的不同劃分為多個區域，其中最重要的是垃圾回收堆（GC Heap）和加載堆（Loader Heap），GC Heap用于存儲對象實例，受GC管理；Loader Heap又分為High-Frequency Heap、Low-Frequency Heap和Stub Heap，不同的堆上又存儲不同的信息。Loader Heap最重要的信息就是元數據相關的信息，也就是Type對象，每個Type在Loader Heap上體現為一個Method Table（方法表），而Method Table中則記錄了存儲的元數據信息，例如基類型、靜態字段、實現的接口、所有的方法等等。Loader Heap不受GC控制，其生命周期為從創建到AppDomain卸載。

在進入實際的內存分配分析之前，有必要對幾個基本概念做以交代，以便更好的在接下來的分析中展開討論。

·TypeHandle，類型句柄，指向對應實例的方法表，每個對象創建時都包含該附加成員，并且占用4個字節的內存空間。我們知道，每個類型都對應于一個方法表，方法表創建于編譯時，主要包含了類型的特征信息、實現的接口數目、方法表的slot數目等。

·SyncBlockIndex，用于線程同步，每個對象創建時也包含該附加成員，它指向一塊被稱為Synchronization Block的內存塊，用于管理對象同步，同樣占用4個字節的內存空間。

·NextObjPtr，由托管堆維護的一個指針，用于標識下一個新建對象分配時在托管堆中所處的位置。CLR初始化時，NextObjPtr位于托管堆的基地址。

因此，我們對引用類型分配過程應該有個基本的了解，由于本篇示例中FileStream類型的繼承關系相對復雜，在此本文實現一個相對簡單的類型來做說明：

//@?2007?Anytao.com?
//http://www.anytao.com
????public?class?UserInfo
????{
????????private?Int32?age?=?-1;
????????private?char?level?=?'A';
????}

????public?class?User
????{
????????private?Int32?id;
????????private?UserInfo?user;
????}

????public?class?VIPUser?:?User
????{
????????public?bool?isVip;

????????public?bool?IsVipUser()
????????{
????????????return?isVip;
????????}

????????public?static?void?Main()
????????{
????????????VIPUser?aUser;
????????????aUser?=?new?VIPUser();
????????????aUser.isVip?=?true;
????????????Console.WriteLine(aUser.IsVipUser());
????????}
????}

將上述實例的執行過程，反編譯為IL語言可知：new關鍵字被編譯為newobj指令來完成對象創建工作，進而調用類型的構造器來完成其初始化操作，在此我們詳細的描述其執行的具體過程：

·首先，將聲明一個引用類型變量aUser：

????????????VIPUser?aUser;

它僅是一個引用（指針），保存在線程的堆棧上，占用4Byte的內存空間，將用于保存VIPUser對象的有效地址，其執行過程正是上文描述的在線程棧上的分配過程。此時aUser未指向任何有效的實例，因此被自行初始化為null，試圖對aUser的任何操作將拋出NullReferenceException異常。

·接著，通過new操作執行對象創建：

??????????? aUser =?new?VIPUser();

如上文所言，該操作對應于執行newobj指令，其執行過程又可細分為以下幾步：

（a）CLR按照其繼承層次進行搜索，計算類型及其所有父類的字段，該搜索將一直遞歸到System.Object類型，并返回字節總數，以本例而言類型VIPUser需要的字節總數為15Byte，具體計算為：VIPUser類型本身字段isVip（bool型）為1Byte；父類User類型的字段id（Int32型）為4Byte，字段user保存了指向UserInfo型的引用，因此占4Byte，而同時還要為UserInfo分配6Byte字節的內存。

實例對象所占的字節總數還要加上對象附加成員所需的字節總數，其中附加成員包括TypeHandle和SyncBlockIndex，共計8字節（在32位CPU平臺下）。因此，需要在托管堆上分配的字節總數為23字節，而堆上的內存塊總是按照4Byte的倍數進行分配，因此本例中將分配24字節的地址空間。

（c）CLR在當前AppDomain對應的托管堆上搜索，找到一個未使用的20字節的連續空間，并為其分配該內存地址。事實上，GC使用了非常高效的算法來滿足該請求，NextObjPtr指針只需要向前推進20個字節，并清零原NextObjPtr指針和當前NextObjPtr指針之間的字節，然后返回原NextObjPtr指針地址即可，該地址正是新創建對象的托管堆地址，也就是aUser引用指向的實例地址。而此時的NextObjPtr仍指向下一個新建對象的位置。注意，棧的分配是向低地址擴展，而堆的分配是向高地址擴展。

另外，實例字段的存儲是有順序的，由上到下依次排列，父類在前子類在后，詳細的分析請參見[第十五回：繼承本質論]。

在上述操作時，如果試圖分配所需空間而發現內存不足時，GC將啟動垃圾收集操作來回收垃圾對象所占的內存，我們將以后對此做詳細的分析。

·最后，調用對象構造器，進行對象初始化操作，完成創建過程。該構造過程，又可細分為以下幾個環節：

???（a）構造VIPUser類型的Type對象，主要包括靜態字段、方法表、實現的接口等，并將其分配在上文提到托管堆的Loader Heap上。

（b）初始化aUser的兩個附加成員：TypeHandle和SyncBlockIndex。將TypeHandle指針指向Loader Heap上的MethodTable，CLR將根據TypeHandle來定位具體的Type；將SyncBlockIndex指針指向Synchronization Block的內存塊，用于在多線程環境下對實例對象的同步操作。

（c）調用VIPUser的構造器，進行實例字段的初始化。實例初始化時，會首先向上遞歸執行父類初始化，直到完成System.Object類型的初始化，然后再返回執行子類的初始化，直到執行VIPUser類為止。以本例而言，初始化過程為首先執行System.Object類，再執行User類，最后才是VIPUser類。最終，newobj分配的托管堆的內存地址，被傳遞給VIPUser的this參數，并將其引用傳給棧上聲明的aUser。

上述過程，基本完成了一個引用類型創建、內存分配和初始化的整個流程，然而該過程只能看作是一個簡化的描述，實際的執行過程更加復雜，涉及到一系列細化的過程和操作。對象創建并初始化之后，內存的布局，可以表示為：

??? 由上文的分析可知，在托管堆中增加新的實例對象，只是將NextObjPtr指針增加一定的數值，再次新增的對象將分配在當前NextObjPtr指向的內存空間，因此在托管堆棧中，連續分配的對象在內存中一定是連續的，這種分配機制非常高效。

2.3?必要的補充

有了對象創建的基本流程概念，下面的幾個問題時常引起大家的思考，在此本文一并做以探索：

·值類型中的引用類型字段和引用類型中的值類型字段，其分配情況又是如何？

????這一思考其實是一個問題的兩個方面：對于值類型嵌套引用類型的情況，引用類型變量作為值類型的成員變量，在堆棧上保存該成員的引用，而實際的引用類型仍然保存在GC堆上；對于引用類型嵌套值類型的情況，則該值類型字段將作為引用類型實例的一部分保存在GC堆上。在[?第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]一文對這種嵌套結構，有較詳細的分析。對于值類型，你只要記著它總是分配在聲明它的地方。

·方法保存在Loader Heap的MethodTable中，那么方法調用時又是怎么樣的過程？

如上文所言，MethodTable中包含了類型的元數據信息，類在加載時會在Loader Heap上創建這些信息，一個類型在內存中對應一份MethodTable，其中包含了所有的方法、靜態字段和實現的接口信息等。對象實例的TypeHandle在實例創建時，將指向MethodTable開始位置的偏移處（默認偏移12Byte），通過對象實例調用某個方法時，CLR根據TypeHandle可以找到對應的MethodTable，進而可以定位到具體的方法，再通過JIT Compiler將IL指令編譯為本地CPU指令，該指令將保存在一個動態內存中，然后在該內存地址上執行該方法，同時該CPU指令被保存起來用于下一次的執行。

在MethodTable中，包含一個Method Slot Table，稱為方法槽表，該表是一個基于方法實現的線性鏈表，并按照以下順序排列：繼承的虛方法，引入的虛方法，實例方法和靜態方法。方法表在創建時，將按照繼承層次向上搜索父類，直到System.Object類型，如果子類覆寫了父類方法，則將會以子類方法覆蓋父類虛方法。關于方法表的創建過程，可以參考[第十五回：繼承本質論]中的描述。

·靜態字段的內存分配和釋放，又有何不同？

????靜態字段也保存在方法表中，位于方法表的槽數組后，其生命周期為從創建到AppDomain卸載。因此一個類型無論創建多少個對象，其靜態字段在內存中也只有一份。靜態字段只能由靜態構造函數進行初始化，靜態構造函數確保在類型任何對象創建前，或者在任何靜態字段或方法被引用前執行，其詳細的執行順序請參考相關討論。

3.?結論

對象創建過程的了解，是從底層接觸CLR運行機制的入口，也是認識.NET自動內存管理的關鍵。通過本文的詳細論述，關于對象的創建、內存分配、初始化過程和方法調用等技術都會建立一個相對全面的理解，同時也清楚的把握了線程棧和托管堆的執行機制。

對象總是有生有滅，本文簡述其生，這是個偉大的開始。?

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[祝福] 一個值得紀念的日子，一切快樂、平安、健康，這次專注，2008會更好。

參考文獻

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（USA）Joe Duffy, Professinal .NET Framework 2.0?
（USA）Don Box, Essiential .NET?
（MSDN）Hanu Kommalapati and Tom Christian, Drill Into .NET Framework Internals to See How the CLR Creates Runtime Objects,?http://msdn.microsoft.com/msdnmag/issues/05/05/JITCompiler/default.aspx

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方法表：?
方法槽表應該先是基類的方法成員（一直到OBJECT），然后是自己的，自己里的，順序是繼承的虛方法，引入的虛方法，實例方法和靜態方法。?
在方法槽表上面的應該還又委托，這點應該要提下了。?
方法槽下面才是靜態字段,接口吧。

第十五回：繼承本質論,?http://www.cnblogs.com/anytao/archive/2007/09/10/must_net_15.html?
中有比較詳細的論述，不過沒有從更底層的分配過程來詳述。?
關于委托，系列后續肯定會有，謝謝你的關注。

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#33樓?2007-12-15 09:39?lihaoware

看了樓主這一系列的文章受益匪淺，向樓主表示敬意！?

在本文中我對樓主關于“VIPUser類型實例”占內存大小的計算有疑問：?

文中“類型VIPUser需要的字節總數為11Byte，具體計算為：VIPUser類型本身字段isVip（bool型）為1Byte；父類User類型的字段id（Int32型）為4Byte，字段user（UserInfo型）為6Byte。?

我認為：UserInfo類型實例占6byte，而VIPUser類型父類User中的user字段只是UserInfo類型的引用，其內存分配應為4byte（文中上下文指的32位機器），而不是6byte。User類型實例占內存為6byte,VIPUser類型實例占內存為17byte

支持(0)?反對(0)

??

#34樓?[樓主]?2007-12-15 12:05?Anytao

@lihaoware?
的確有失嚴謹，已經做了檢查，在user字段的判斷部分分析有誤，正確的應該是：?
CLR按照其繼承層次進行搜索，計算類型及其所有父類的字段，該搜索將一直遞歸到System.Object類型，并返回字節總數，以本例而言類型VIPUser需要的字節總數為15Byte，具體計算為：VIPUser類型本身字段isVip（bool型）為1Byte；父類User類型的字段id（Int32型）為4Byte，字段user保存了指向UserInfo型的引用，因此占4Byte，而同時還要為UserInfo分配6Byte字節的內存。?
實例對象所占的字節總數還要加上對象附加成員所需的字節總數，其中附加成員包括TypeHandle和SyncBlockIndex，共計8字節（在32位CPU平臺下）。因此，需要在托管堆上分配的字節總數為23字節，而堆上的內存塊總是按照4Byte的倍數進行分配，因此本例中將分配24字節的地址空間。


由于網絡問題，暫時不能修改，我將擇日盡快修改，感謝你的指正:-)?

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的[你必须知道的.NET]第十九回：对象创建始末（下）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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